Svampelignende grafen laver lovende superkondensatorelektroder

(Phys.org) – Mens de fleste af nutidens elektriske køretøjer er afhængige af batterier til at lagre energi, superkondensatorer har haft betydelige forbedringer, der har gjort dem til seriøse konkurrenter til batterier. Batterier har traditionelt overhånd i form af kapacitet, da superkondensatorers lave kapacitet betyder meget korte køreafstande for elbiler. Superkondensatorers største fordel ligger i deres meget højere effekttæthed sammenlignet med batterier, muliggør en hurtigere opladningstid og mulighed for hurtigt at aflade for hurtig acceleration.

En ny undersøgelse foretaget af en gruppe forskere ved University of Alberta og National Research Council of Canada, både i Alberta, Canada, har vist, at superkondensatorer har et stort potentiale for fortsatte forbedringer.

Forskerne har syntetiseret et nyt materiale, som de kalder svampelignende grafen på grund af dets 3D makroporøse struktur og demonstreret, at det kan bruges til at lave superkondensatorelektroder. Superkondensatorer med disse nye elektroder har rimelig energitæthed, når de opererer ved lave effekttætheder, men deres største attraktion er, når de opererer ved ultrahøje effekttætheder på omkring 48, 000 W/kg, hvor de er i stand til at levere en attraktiv energitæthed på 7,1 Wh/kg.

I første omgang, en energitæthed på 7,1 Wh/kg lyder måske ikke bemærkelsesværdigt sammenlignet med energitætheden for de bedste Li-ion-batterier, såsom Envia Systems rekordstore 400 Wh/kg annonceret tidligere i år. Imidlertid, for at reducere den tid, det tager at oplade Li-ion-batterier til elbiler fra timer til minutter, batterier skal have en højere effekttæthed end deres nuværende bedste værdier på omkring 10, 000 W/kg. Så de 48, 000 W/kg effekttæthed af superkondensatorerne rapporteret her, kombineret med en energitæthed på 7,1 Wh/kg, viser, at superkondensatorer kan tilbyde batterier en vis konkurrence.

"Superkondensatorer og batterier er helt forskellige elektrokemiske energilagringsenheder, "medforfatter Zhi Li, fra både University of Alberta og National Research Council of Canada, fortalte Phys.org . "Her er et eksempel, der ofte bruges til at demonstrere deres forskelle. Hvis du kører et elektrisk køretøj, du vil gerne have et batteri med høj energitæthed til at holde køretøjet kørende i mange kilometer, og du vil sandsynligvis også foretrække en superkondensator med høj effekttæthed for at få bilen til at starte/accelerere hurtigere. Superkondensatorer er designet til at arbejde ved meget højere effekttæthed (hurtig opladning/afladning). 7,1 Wh/kg er langt fra attraktivt for et batteri. Imidlertid, denne energi leveres på mindre end 2 sekunder. Jeg tror, ​​at ingen af ​​de eksisterende batterier er klar til at gøre det."

Som forskerne forklarer i deres undersøgelse, de syntetiserede den svampelignende grafen ud af flervæggede kulstofnanorør og cobaltphthalocyanin (PC) molekyler, der binder sig til nukleationssteder i nanorørets "skelettet". Disse materialer blev mikrobølgeopvarmet i 20 minutter for at give grafit, og derefter straks slukket med isvand for at omdanne grafitten til grafenflager. Scanning af elektronmikroskopbilleder afslørede en meget ensartet svampeagtig morfologi i kulstofstrukturen.

I eksperimenter, forskerne påviste, at elektroder lavet af svampelignende grafen er stabile i to almindelige elektrolytter (ionisk væske og vandig), der bruges i superkondensatorer. Mens mange superkapacitorelektroder kun fungerer godt ved temperaturer på 60 ° C (140 ° F) eller højere, de svampelignende grafenelektroder fungerer meget godt ved stuetemperatur. Forskerne tilskriver både den gode stuetemperaturdrift og evnen til hurtig elektrolytoverførsel (og deraf følgende høj effekttæthed) til elektrodens svampelignende makroporøse struktur.

De svampelignende grafenelektroder udviser også en fremragende cykluslevetid. Efter at have kørt gennem 10, 000 opladnings-afladningscyklusser, elektroderne beholdt 90% af deres kapacitet i den ioniske flydende elektrolyt og 98% i den vandige elektrolyt.

"I dette arbejde, vi dyrker grafen mellem CNT'er og opnår en nano-arkitektur, der er i stand til at levere energi ved en super høj effekttæthed, " sagde Li. "Men det væsentligste bidrag fra arbejdet er, at vi har demonstreret en metode, der er egnet til fremstilling af grafen i den begrænsede plads af andre nanomaterialer. Stk, de udgangsmaterialer, vi brugte, er små molekyler mindre end 2 nm og kan passe ind i det lille rum af andre nanomaterialer. Efter karbonisering og bratkøling, PC'er er in situ omdannet til grafen. Ud over, denne konvertering er en selvkatalyseret reaktion, som giver stor fleksibilitet til at lave grafen-sammensætning med andre nanomaterialer. Som du ved, grafenkompositterne har meget bredere anvendelse end grafen selv."

Samlet set, resultaterne bygger på tidligere forskning, der viser, at 3D-grafenstrukturer kan tjene som en ideel struktur for superkondensatorelektroder ved at tillade hurtig elektrolytoverførsel gennem de porøse kanaler. Forskerne håber, at yderligere forbedringer i fremtiden vil gøre superkondensatorer attraktive for elektriske køretøjer, strøm back-up systemer, og andre højeffektapplikationer.

"Vi søger en måde at gøre grafen tyndere, hvilket ville give nano-arkitekturerne mere energitæthed, "Sagde Li." Den aktuelle tykkelse af grafen er omkring 5-6 lag. Vores mål er at gøre det mindre end 2 lag. Det vil fordoble eller tredoble materialernes energitæthed uden at ofre effekttætheden."

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.